基于电子直线加速器的空间电子环境地面模拟用电子源设计与实现
时间：2023-02-14 13:20:08 来源：千叶帆 本文已影响人
杨京鹤，余国龙，佟迅华，杨 誉，窦玉玲，陈义珍，张卫东， 王常强，李金海，朱志斌，曾自强，王国宝
(中国原子能科学研究院 核技术综合研究所，北京 102413)
航空航天器在太空中运行时会受到空间电子的辐射，易产生单粒子效应、内部带电效应等[1-3]，进而影响相关设备的正常运行，甚至发生损坏。利用电子束模拟地外空间电子环境，进行抗辐照试验是卫星等航空航天器进行可靠性验证的措施之一[4]。通过在地面建立电子源模拟航空航天器在空间遭遇的电子环境，研究相关效应带来的损伤及其防护措施的有效性，是保证航空航天器安全稳定运行的重要手段。当前国内外主要使用高压型加速器进行空间电子环境模拟，能量在2 MeV以下，国内现有空间环境效应装置多为带电粒子及某类效应的单一功能载荷，难以实现较宽能量范围空间辐射效应监测功能[5]，而实际空间电子的能量范围能够达到5 MeV，这些更高能量的电子是产生内部带电效应的主要因素，由于空间电子环境中的电子能谱是连续的，故需要能量能够在大范围调节的加速器来有效模拟空间电子环境。
本文主要阐述一台提供宽能量范围电子束的电子直线加速器的设计与实现，拟采用能量开关技术和栅控电子枪技术分别调节有效加速电场和电子束发射流强，同时结合大动态范围磁控管功率源技术，并优化加速管耦合度设计来控制进入加速管的微波功率，实现电子束能量范围至少覆盖1～5 MeV，满足空间电子环境对电子束能量的需求。
航空航天器在太空中遭遇的1～5 MeV能量的空间电子是产生内部带电等效应的主要因素，每平方米电子束流强可达1 μA。空间环境模拟用电子直线加速器的主要设计参数列于表1。
电子束平均流强通过调节占空比的方式调节，最大占空比0.1%，最小占空比0.002%，平均流强为1 μA时，脉冲流强在1～500 mA范围内取值，具体脉冲流强取值可结合能量调节计算后确定，满足取值范围即可。为实现电子束能量的大范围调节，综合使用能量开关结构改变加速结构内的加速电场区域分布、调节磁控管输出功率控制加速电场幅度、调节电子枪发射流强改变束流负载状态3种方法[6-7]。在总体设计时，同时考虑工程参数的合理性和稳定性，不使电子枪、加速管等关键部件工作在极限状态，保证加速器长时间工作稳定性和寿命。
表1 加速器的设计参数Table 1 Design parameter of accelerator
首先，驻波加速管的俘获效率通常在30%左右，所使用的小型栅控电子枪的脉冲发射通常在1 A左右，能满足所需脉冲流强取值，总体设计时设定束流负载在100～300 mA左右；
其次，考虑电子束能量在1～5 MeV能量状态下对应的相速度分别为0.941和0.996，相差较大，在相同的纵向加速场相速分布下，电子束团的聚束效果和相移偏差较大，故设计采用能量开关结构，将加速结构分为低能档(1～2 MeV)和高能档(2～5 MeV)，以对电子束能量进行有效调节；
最后，由于束流负载变化和能量开关工作时带来有效结构长度的变化，耦合度会同步产生较大变化，而设计及冷测时加速结构的耦合度为固定值，故需要在兼顾不同工作参数的条件下进行加速结构耦合度的优化。
采用能量开关结构的加速管包括1个聚束腔和5个光速腔，能量开关作用时将后续3个光速腔短路，仅在1个聚束腔和2个光速腔内激励电磁场，典型的纵向电场分布如图1所示。
图1 能量开关处于不同状态时加速结构轴线上的纵向电场分布Fig.1 Longitudinal electric field distribution on axis of acceleration structure in different states of energy switch
双周期驻波加速结构的束流负载效应及最佳耦合度计算方法[8]为：
(1)
(2)
其中：We为电子束能量；
βc为耦合度；
P0为加速管入口功率；
Zeff为等效分路阻抗；
T为渡越时间因子；
Ib为电子束脉冲流强；
L为加速结构长度；
βopt为最佳耦合度。计算两个能量档下对应的能量变化和耦合度变化，如图2所示。
图2 不同能量档的能量、最佳耦合度随脉冲流强的变化Fig.2 Change of energy and optimized coupling coefficient with pulse current at different energy levels
根据计算，高能档在1.6 MW功率输入、脉冲流强100 mA时，能量达到5 MeV左右；
低能档在0.6 MW功率输入、脉冲流强约300 mA时，能量在1 MeV左右。据此，根据确定的结构和耦合度曲线，高能档耦合度为1.5、低能档耦合度为3时，通过调节输入脉冲功率、脉冲流强并结合能量开关技术，使总体设计实现能量范围在1～5 MeV内调节。
根据总体设计中的输入参数，建立低能档和高能档的电磁场模型，轴线上纵向电场分布如图1所示，在PARMELA软件中利用模拟电磁场进行多粒子跟踪计算[9]，高能档的输出最高平均能量为5.05 MeV，俘获效率为34%，出口处电子束特性如图3所示；
低能档输出最低平均能量为0.98 MeV，俘获效率为27%，出口处电子束特性如图4所示。两个能量档的电子束包络如图5所示。计算结果表明，本设计能满足能量范围要求，同时电子束特性较好，束流主体横向发射角小于140 mrad，满足后续电子束传输处理系统的要求[10]。
通过调节磁控管的输出脉冲功率可有效改变加速结构内建立的加速场幅值，从而可在一定范围内调节输出电子束的能量。根据总体设计，考虑环流器等微波传输损耗，要求输出磁控管脉冲功率至少在0.7～1.8 MW范围。为保证电子束能量在大范围输出时加速器稳定工作，对此进行了磁控管输出范围及输出频谱测试。在重复频率50 Hz的条件下，进行了4 h高功率实验，表2列出了磁控管功率实验结果。实验结果表明，在磁场B=1 200 Gs(1 Gs=10-4T)条件下，设计开发的磁控管能在0.7～1.8 MW范围内稳定运行，得到的输出特性如图6所示，对应的输出功率谱如图7所示。
高功率实验明确了磁控管在大功率范围稳定输出的可行性，为研究的顺利开展提供了重要的技术保障。
电子直线加速器安装完成后进行调试测试，电子束能量测量方法采用电子垂直入射聚苯乙烯计算得到的深度剂量分布曲线，由Monte Carlo 深度剂量分布推算得到聚苯乙烯中的实际射程Rp，进而计算得到电子束能量[11]，测试结果如图8所示，最高能量射程为Rp=23.72 mm，对应能量为5.0 MeV，此时脉冲流强为92 mA；
最低能量射程为Rp=3.08 mm，对应能量为0.9 MeV，此时脉冲流强为334 mA，测试结果达到了能量范围要求。
a，b——束流相空间；
c——束斑；
d——相能谱图3 5 MeV能量档电子束输出特性Fig.3 Transverse phase space at 5 MeV
a，b——束流相空间；
c——束斑；
d——相能谱图4 1 MeV电子束输出特性Fig.4 Transverse phase space at 1 MeV
a——1 MeV；
b——5 MeV图5 电子束横向包络图Fig.5 Transverse envelope of electron beam
表2 磁控管功率实验结果Table 2 Experimental result of magnetron high power
图6 磁控管输出特性测试曲线Fig.6 Magnetron parameter at different power levels
本文阐述了一台大能量范围输出的基于电子直线加速器的电子源的设计与实现，综合使用能量开关、束流负载效应等技术方法，分析确定了加速管耦合度在实现多状态运行时的条件，进行了部分实验进行可行性验证，最终实现了电子源的开发，能量范围为1～5 MeV。目前，电子源完成了与后端电子束扩束扫描系统的联合调试和验收，已应用于空间电子环境地面模拟实验研究，设施运行良好稳定。
图7 磁控管输出功率能谱Fig.7 Magnetron output power spectrum
图8 能量测试结果Fig.8 Energy test result
感谢日本新无线株式会社(NJRC)在磁控管研发测试方面的技术支持。
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